ADAS和自动驾驶汽车为何开始青睐热成像仪？-全球新视野

在此前的一份报告中，AAA（美国汽车协会）测试结果显示，目前车辆配备的AEB系统（不包括热成像传感器）在检测和避让行人方面存在缺陷，而且“在夜间条件下无法发挥作用”。对此情况，热成像仪逐渐被加入自动驾驶传感器组合，以有效弥补其他传感器不足，提升驾驶安全性。

图片来源：Teledyne FLIR

热成像仪是什么？

(资料图片仅供参考)

热成像是一种通过将每个分辨点成像到摄像头传感器的相应像素，以测量场景温差的技术。每个像素都对辐射热能敏感，因此可以改变电阻并测量场景温度。这些传感器通常采用硅CMOS技术制造，被称为微测辐射热计（micro-bolometers）。

测辐射热计于一个多世纪前发明。随着半导体技术不断兴起，像素阵列（微辐射热计）得以实现，并用于提供场景的热对比图像。20世纪70年代，美国霍尼韦尔公司与美国国防部（U.S. Department of Defense）签署机密合同，发明微辐射热计，进而成功开发出用于ISR（情报、监控、侦察）的长波红外摄像机（LWIR）。而其中的部分技术在20世纪90年代初被解密并转让给多个商业实体。如今，热成像服务的应用范围已拓展至监控（国防和边境控制）、医疗诊断、远程温度监测（发烧检测）以及夜间驾驶。

微辐射热计的热辐射波长范围为7.5 - 14 µm。这部分光谱对人眼不可见，但对摄像头（依赖于入射光或光子）可见。动物和人类的体温通常与场景中的其他自然或人造物体不同，因此测量这些温差可以在各种照明和遮蔽条件下提供独特的感知能力。而在汽车应用中，能够在远距离检测到行人和动物对于提高安全性和实现自动驾驶非常重要。

热成像仪的应用

21世纪初，多家汽车公司率先部署了被动热成像仪，如通用汽车、宝马、本田等，以提高在光线不足或大雾地区夜间驾驶的安全性，避免与动物碰撞或造成行人受伤。但严格来讲，此类技术主要是为了辅助驾驶员。美国国防部高级研究计划局（DARPA）挑战赛推动了更高自动驾驶水平的发展，各种传感技术逐渐变得突出，其中激光雷达（LiDAR）最受关注，吸引了大量资金投入。与雷达和可见光摄像头一起，LiDAR被认为是最理想的感知堆栈，可实现更高级别的自动驾驶（L3级或有条件的自动驾驶，即人类驾驶员可以随时接管并在10秒警报后完全控制，以及L4级或特定运行设计域（Operational Design Domain，ODD）下的完全自动驾驶）。

由于典型道路条件存在各种极端情况，实现L4级自动驾驶比最初预计要困难得多。一些公司正在将热成像仪添加到传感器组合中，以进一步补充激光雷达、雷达和可见光摄像头，从而在光线不足或模糊的环境（雾、烟、蒸汽）中识别动物和人类。Alphabet旗下自动驾驶部门Waymo Via和自动驾驶卡车技术初创公司Plus.ai尝试在传感器组合中添加热成像仪，以在高速公路上实现卡车自动驾驶。Nuro、Cruise和Zoox也在专用车辆中搭载了热成像仪，以用于人口稠密城市的最后一英里食品、杂货配送和打车服务。

热成像仪的优势

美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）也非常关注热成像技术，并于近期为新车评估计划（NCAP）发布了RFC（征求意见）。作为该RFC的一部分，NHTSA提议添加四种新的ADAS（高级驾驶员辅助系统）技术。其中包括盲点检测、盲点干预、车道保持支持和行人自动紧急制动（PAEB）。对于PAEB领域，RFC特别将热成像仪视为一种潜在的传感技术。随后，通用汽车将远红外摄像机列为可以避免与动物和行人发生碰撞事故的传感技术。有趣的是，提倡仅使用“可见摄像头”实现自动驾驶的特斯拉也建议在夜间条件使用可实现PAEB的红外摄像头。

图片来源：Zoox

Zoox公司也是其中之一。该公司将四个热成像仪用作一组，作为其传感器套件的一部分，以用于其双向、专用的打车服务。Zoox首席技术官Jesse Levinson对添加此功能提出以下几点：

推进L4级自动驾驶解决极端情况，关键是为机器学习堆栈提供安全驾驶的最佳信息；

热成像仪感应热量，允许在不受光照和遮蔽条件的情况下识别人和动物；

这种传感模式可补充其他传感器（如LiDAR、雷达和可见光摄像头），以应用于独特极端情况，如低照明度、有烟雾、雾气和蒸汽的环境。使用热成像仪有助于感知堆栈减少误报；

高速公路无需热成像仪。城市环境使用宽FoV（视野）和较低的成像范围即可；

传感器堆栈的成本问题始终存在。但Zoox从事的是服务业务，而不是汽车销售业务。较高的传感器堆栈成本会随着时间和乘车收入而逐渐降低。

热成像仪的主要供应商

美国、欧洲、韩国、日本和中国在热成像仪技术领域都很发达。美国智能传感技术公司Teledyne FLIR在传感器方面尤为领先。这是因为该公司的前身为美国加利福尼亚州圣巴巴拉的FLIR公司，而该公司在2004年1月收购了红外成像产品开发商和供应商Indigo Systems，于是FLIR开始提供初始传感器功能，供宝马等OEM开发人类驾驶员辅助系统。

图片来源：Teledyne-FLIR

如今，Teledyne-FLIR是长波红外热成像仪的主要供应商，其应用范围十分广泛，从消防安全到无人机和汽车。Teledyne-FLIR汽车业务发展主管John Eggert表示，Boson系列热成像仪现已进入第4代，可提供640x512像素的VGA（视频图形阵列）格式或320x256像素的QVGA格式。两种格式的像素间距均为12 µm。就可见光（0.4-0.7 µm）、SWIR（短波红外，0.9-1.6 µm）、MWIR（中波红外，2-3.5 µm）和LWIR（8- 12 µm）成像仪，以及LiDAR数据（0.9 µm），Teledyne-FLIR提供了大雾中行人检测性能的详细比较。结果发现，在各种范围和雾密度中，LWIR表现最好。

成本问题与解决方案

光学是热成像中必不可少的考虑因素。鉴于8-12 µm波长范围，锗是军用LWIR成像仪的传统选择。这种元素材料在这些波长下具有出色的光学特性；但对于大批量汽车应用而言，市场需要开发出其他替代方案。这是因为全球90%以上的锗储量来自中国和俄罗斯，供应链十分单一。

比利时材料公司优美科（Umicore）是领先的锗光学和半导体供应商，可提供透镜、太阳能电池和红外VCSEL（垂直腔面发射激光器）。优美科业务发展总监Bendix De Meulemeester称，由于行人死亡率不断升高，且因驾驶员分心而不断加剧，PAEB非常重要。因此，全球监管和安全评级机构对非自动驾驶乘用车的夜间和恶劣天气行人检测和AEB功能的要求越来越高。热成像仪在这方面至关重要。更高级别的自动驾驶（L3级和L4级）也将需要这种用于高速公路和城市驾驶的能力。

De Meulemeester表示，与部署在L3级和L4级车辆上的热成像仪相比，非自动驾驶汽车所需的热成像仪对成本更为敏感（<100美元/台）。非自动驾驶驾驶汽车需要更低测距和更宽的FoV性能，并且可以使用单个QVGA成像器/汽车。对于L3级和L4级自动驾驶，VGA格式的成像器可能搭载更昂贵的光学器件，以支持高速公路驾驶的长测距和更窄的FoV，并在每辆车部署多个摄像头。在材料配方和镜片制造方面，优美科开发出硫系玻璃（Chalcogenide glass），具有以下优势：

体积可扩展性：玻璃镜片可以大批量成型，无需像锗镜片必须机加工。批量生产促进了批量可扩展性、更高的生产率以及更低的资本和劳动力成本。

工作温度范围：适用于汽车应用，通常为-40°C至+ 85°C。锗的传输损耗该工作温度范围内变化很大，并且必须使用其他材料来使结构无热化并确保均匀的光学性能。硫属化物玻璃特性可实现经济高效的无热化，从而在更宽的温度范围内实现稳定的性能。

尺寸和重量：锗比玻璃的密度更高，因此更重。而对设计进行非热化的要求也增加了尺寸和重量。

成本：上述因素使得玻璃镜头比锗的成本更低，因为成像仪的成本会随着体积的减小而降低。光学也是物料清单（BOM）中的重要成本因素。成本效率变得至关重要，尤其是在要进行大规模汽车部署的情况下。

锗的供应链问题：如前所述，90%以上的锗来自中国和俄罗斯。

美国（LightPath Technologies公司）、德国和中国的很多供应商都在积极开发和生产用于热成像的硫属化物玻璃光学器件。不仅如此，使用LWIR摄像头进行ISR的美国国防主要人员也正在使用该材料作为锗的替代解决方案，以用于某些应用。

小结

实现自动驾驶非常困难，尤其是公共交通，但安全永远是最重要的。如果自动驾驶旨在取代人类驾驶员，那添加传感器以覆盖所有盲区就非常必要，否则自动驾驶永远不会取得进展。不得不说，热成像仪对于实现自动驾驶非常关键，其成本低且可对其他传感器系统进行补充，尤其是在一些恶劣驾驶环境下，可以使驾驶员实现更安全的出行。